混凝土超声层析成像方法研究

目录

第一章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 计算机层析成像及其发展现状 (2)

1.2.1 层析成像基本概念 (2)

1.2.2 层析成像的发展历史 (3)

1.2.3 基于射线理论的层析成像研究现状 (4)

1.2.4 基于波动理论的层析成像研究现状 (8)

1.3 混凝土超声层析成像研究现状及存在问题 (10)

1.3.1 混凝土超声层析成像研究现状 (10)

1.3.2 混凝土超声层析成像研究所存在的问题 (11)

1.4 本文研究目的和主要研究内容 (12)

1.4.1 本文研究目的 (12)

1.4.2 本文研究内容 (13)

第二章混凝土超声检测原理与检测系统 (15)

2.1 声学基本概念和原理 (15)

2.1.1 声波及其参数 (15)

2.1.2 声波的分类 (15)

2.1.3 声波在介质中的传播速度 (16)

2.1.4 声波在介质界面的反射和折射 (16)

2.1.5 Huygens-Fresnel与Fermat原理 (19)

2.2 超声波在混凝土中的传播特点 (19)

2.3 混凝土内部缺陷超声检测基本原理 (20)

2.4 混凝土内部缺陷的分析判断方法 (21)

2.3.1 异常测线的判断——概率法 (22)

2.3.2 异常范围的判断——阴影重叠法 (23)

2.3.3 异常程度判断——层析成像法 (24)

2.5 混凝土超声检测系统 (25)

2.6 本章小结 (26)

第三章基于射线理论的混凝土超声层析成像方法 (27)

3.1 层析成像数学理论基础 (27)

3.1.1 Radon变换 (27)

3.1.2 Radon逆变换 (28)

3.1.3 广义Radon变换 (29)

V

3.2 基于射线理论的混凝土层析成像方程 (29)

3.2.1 层析成像方程建立 (29)

3.2.2 层析成像方程的特点 (31)

3.3 基于射线理论的混凝土层析成像步骤方法 (33)

3.3.1 基于射线理论的混凝土层析成像组成部分 (33)

3.3.2 基于射线理论的混凝土层析成像流程图 (33)

3.4 基于射线理论的混凝土超声层析成像正演方法 (34)

3.4.1 基本方程 (34)

3.4.2 混凝土超声层析成像射线追踪方法 (35)

3.5 基于射线理论的混凝土超声层析成像反演算法 (37)

3.5.1 反投影重建算法 (37)

3.5.2 迭代重建算法 (38)

3.5.3 最小二乘重建算法 (43)

3.6 本章小结 (48)

第四章基于射线理论的混凝土超声层析成像算法改进 (49)

4.1 基于Snell定律改进的扰动法射线追踪 (49)

4.1.1 Snell定律求单元边界折射点的方法 (49)

4.1.2 扰动法射线追踪 (50)

4.1.3 Snell定律与扰动法相结合的射线追踪 (50)

4.1.4 改进的扰动法射线追踪模拟试验结果 (51)

4.2 混凝土超声层析成像反演重建算法的改进 (53)

4.2.1 迭代重建算法的改进 (53)

4.2.2 最小二乘算法改进 (58)

4.3 计算机数值模型模拟试验 (63)

4.3.1 数值模型 (63)

4.3.2 模拟试验结果分析 (65)

4.4 混凝土试块试验结果分析 (67)

4.4.1 小试块模型试验 (67)

4.4.2 大试块模型试验 (73)

4.5 本章小结 (80)

第五章基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像方法 (81)

5.1 引言 (81)

5.2 混凝土测区二维菲涅耳体 (81)

5.3 基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像正演计算 (84)

5.4 基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像反演方法 (84)

VI

5.4.1 反演方程组的建立 (84)

5.4.2 反演方程组的求解 (86)

5.4.3 基于菲涅耳体的混凝土超声层析成像实现过程 (87)

5.5 模型试验研究 (87)

5.5.1 计算机数值模型试验结果 (87)

5.5.2 混凝土试块模型试验结果 (92)

5.6 本章小结 (94)

第六章重建图像后处理方法及成像结果影响因素研究 (95)

6.1 混凝土层析成像的图像后处理方法研究 (95)

6.1.1 引言 (95)

6.1.2图像后处理方法 (95)

6.1.3 图像后处理应用效果 (98)

6.2 影响混凝土层析成像结果的主要因素研究 (99)

6.2.1 层析成像正演、反演算法对层析成像结果的影响 (99)

6.2.2 检测方案对层析成像结果的影响 (99)

6.2.3迭代算法参数选取对层析成像结果的影响 (103)

6.2.4 测量数据误差对层析成像结果的影响 (107)

6.2.5 投影矩阵A的误差对层析成像结果的影响 (108)

6.2.6 进行图像后处理对层析成像结果的影响 (109)

6.3 本章小结 (109)

结论 (110)

参考文献 (114)

攻读学位期间取得的研究成果 (123)

致谢 (125)

VII

第一章绪论

第一章绪论

1.1 引言

由于混凝土材料本身的复杂特性以及在设计、施工、后期保养阶段的不足，很多的混凝土构件在使用过程，甚至是建造过程中，就会出现一些缺陷或者是损伤，严重影响了混凝土结构物的使用安全，甚至会造成严重的恶性事故，给国家和人民带来非常严重的损失。如何能够快速精确的获得混凝土构件内部的质量情况，为评估混凝土结构物的性能提供非常准确的依据，显得尤为重要。

混凝土结构的常规传统检测方法是对制作的混凝土试件进行检测，但由于混凝土试件的性能与结构物中实际的混凝土性能有较大差别，利用混凝土试件的性能指标进行对混凝土结构物进行评价，显然并不能客观表示混凝土结构内部质量的真实情况，评价标准也是不准确的。因此，目前，在混凝土结构物的内部质量检测中，最重要的检测方式为现场无损检测技术，并在国标GB J 204 —1983《钢筋混凝土工程施工及验收规范》中明确规定。通过众多科技工作者的大量试验研究，我国的混凝土质量无损检测和评价技术得到了极大地提高，混凝土无损检测方法[1]得到了越来越大的重视。

无损检测，顾名思义是在不损伤被检测物体的前提下进行检测，混凝土无损检测，即在不损伤被测混凝土结构物特性的情况下，通过特定检测设备即可获得与混凝土内部质量性能指标相关的一些物理量，进而对混凝土结构进行评价。目前，在土木工程无损检测方法主要包括：超声无损检测、射线法无损检测、红外线激光法无损检测、高频的电磁雷达法无损检测以及微波法无损检测[2-4]。

与其他四种检测方法相比，始于上世纪40年代后期的超声检测技术(UT)在混凝土无损检测中具有很多的优势，检测设备具有体积小、携带方便、操作简单及灵敏度高的优点；检测方法的检测速度较快，检测数据的处理相对简单，能够检测较大体积的混凝土构件，并且超声波对人体是无害的，对被测混凝土结构物也没有任何的损伤及破坏，因此被广泛应用到了混凝土无损检测中。我国是从50年代中期开始研究混凝土超声检测技术，并被列入到了一些标准化的规程中。目前在检测设备以及检测技术方面都得到了巨大的发展，并在混凝土的无损检测中引入了超声层析成像技术（Ultrasond Computerized Tomography），能够将混凝土结构内部检测面的质量情况、缺陷大小分布，以图像的形式非常精确、形象、完整的显示出来，弥补了传统混凝土检测方法的一些局限，成为混凝土结构无损检测的发展趋势方向。并为混凝土构件的内部质量检测以及为混凝土结构

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